estudo teórico da espectrofotometria na região do ultravioleta

Congresso de Inovação, Ciência e Tecnologia do IFSP - 2016
ESTUDO TEÓRICO DA ESPECTROFOTOMETRIA NA REGIÃO DO ULTRAVIOLETA E
DO VISÍVEL.
AMARANTE L.C.V.1, COUTINHO M.C.2, ZONETTI L.F.C. 3
1
Graduando em Licenciatura em Física, IFSP, Campus Birigui, [email protected]
Graduanda em Licenciatura em Matemática, IFSP, Campus Birigui, [email protected]
3 Professor orientador, IFSP, Campus Birigui, [email protected]
2
Área de conhecimento (Tabela CNPq): Prop.Óticas e Espectrosc.da Mat.Condens;Outras Inter.da Mat.Com Rad.e Part. –
1.5.7.16
Apresentado no
7° Congresso de Iniciação Científica e Tecnológica do IFSP
29 de novembro a 02 de dezembro de 2016 - Matão-SP, Brasil
RESUMO: A estrutura molecular do vidro não possui padrão regular de organização, caracterizandoo como um material amorfo. Os tipos de vidros são variados, depende do que é colocado na estrutura
que o compõe. Se o objetivo é obter mais viscosidade, dureza, durabilidade, absorção, transparência
ou coloração, deve-se, então, dopá-lo a fim de obter a propriedade física desejada. O interesse neste
trabalho é explorar características óticas do vidro, especificamente o comportamento observado
quando a cor é variada. Trata-se de uma pesquisa bibliográfica para que futuramente seja possível
fazer a caracterização de alguns vidros, objetivando identificar fatores que determinam aspectos
óticos. Será feito o levantamento histórico do vidro, desde o seu descobrimento até os dias atuais,
incluindo as diversas funcionalidades na Física. A técnica analítica estudada será a espectrofotometria
na região do ultravioleta e do visível do espectro eletromagnético (UV-VIS), uma das técnicas mais
utilizadas na caracterização de materiais, constatando, assim, a relevância da grande variedade de
informações geradas, os benefícios de um custo relativamente baixo e grande número de aplicações
desenvolvidas.
PALAVRAS-CHAVE: Espectrofotometria; vidro; caracterização ótica; espectro eletromagnético;
THEORY STUDY OF SPECTROPHOTOMETRY ON ULTRAVIOLET REGION AND
VISIBLE
ABSTRACT: The molecular structure of the glass has no regular pattern of organization,
characterizing it like an amorphous material. There are many types of glass, it depends on what is
placed in the structure that composes it. If the goal is to get more viscosity, hardness, durability,
absorption, transparency or coloring, then it should dope it, to obtain the desired physical property.
The interest in this work is to explore optical characteristics of the glass, specifically the behavior
observed when the color is varied. This is a bibliographical research to enable, in the future, the
characterization of some glasses in order to identify factors that determine optical aspects. There will
be done a historical survey about of the glass, since its discovery to the present day, including the
various features in physics. The analytical technique studied will be the spectrophotometry in the
ultraviolet region and the visible electromagnetic spectrum (UV -VIS), one of the most used
techniques in materials characterization, noting, thus, the importance of the wide variety of
information generated, the benefits of a relatively low cost and large number of developed
applications.
KEYWORDS: Spectrophotometry; Glass; Optical characterization; electromagnetic spectrum;
INTRODUÇÃO
O vidro é feito de uma mistura de matérias-primas naturais tais como a areia, calcário, barrilha
(carbonato de sódio), alumina (óxido de alumínio) e corantes ou descorantes. Seu preciso
descobrimento é desconhecido, mas uma das teorias das primeiras confecções de vidro descrevem que
navegadores, quando faziam fogueiras na praia, perceberam que a areia e o calcário (conchas) se
combinaram através da ação da alta temperatura e resultavam em um material rígido com aparência de
uma pedra cristalina. Assim começaram a misturar substancias à altas temperaturas e manipular esse
novo material. Há registros de sua utilização desde 7.000 a.C. por sírios, fenícios e babilônios
(AKERMAN, 2000).
As matérias-primas do vidro sempre foram as mesmas há milhares de anos, somente a
tecnologia é que mudou, acelerando o processo e possibilitando maior diversidade para seu uso. Do
ponto de vista científico, compreender as potencialidades do material possibilita uma maior eficiência
para aplicá-lo em várias áreas. Caracterizar o material é conhecer sua identidade. Para isso existem
diversos instrumentos de caraterização, que fornece desde os aspectos magnéticos, elétricos,
mecânicos e/ou óticos. (MANSUR, 2005).
No caso deste trabalho, o que interessa são propriedades óticas obtidas por espectrofotometria
na região do ultravioleta e do visível do espectro eletromagnético (UV-VIS), é uma técnica de análise
ótica mais usada em caracterizações físico-químicas e biológicas. Seus resultados são obtidos através
de um espectrofotômetro que possibilita a comparação de radiação absorvida e/ou transmitida por uma
solução.
A importância e relevância dessa categoria de análise pode ser citada nos alimentos,
imprescindível para a vida, que passam desde a avaliação do valor nutricional até o controle de
qualidade e requerem análises confiáveis e em alta velocidade. O UV-vis pode ser usado em todo o
processo, desde a análise de vitaminas até a maturação, quantificação de aditivos alimentares, resíduos
de pesticidas ou a cor em materiais de embalagem (SHIMADZU).
METODOLOGIA
Existe uma dificuldade para se categorizar adequadamente corpos vítreos em um dos três
estados de agregação da matéria. Surgiu a ideia de integrá-los em um quarto estado, o estado vítreo,
mas essa sugestão nunca chegou a ter uma aceitação generalizada. Portanto, o vidro é considerado um
sólido não cristalino ou um sólido amorfo. Quando um material não apresenta uma regularidade dos
seus constituintes moleculares em uma escala superior a algumas vezes o tamanho destes grupos, ele é
considerado amorfo. Já os cristais são constituídos por arranjos ordenados de moléculas que se
repetem em períodos regulares (ZONETTI, 1999).
Os tipos de vidros são variados, depende do que é colocado na estrutura que o compõe. Se o
objetivo é obter mais viscosidade, dureza, durabilidade, absorção, transparência ou coloração, deve-se,
então, dopá-lo, ou seja, misturar outras substâncias (cobalto, terras raras, cobre, etc) em sua estrutura
molecular e estudar a característica que se pretende obter. O interesse neste texto é explorar
características óticas do vidro, especificamente o comportamento observado quando a cor é variada.
A cor não é uma característica intrínseca de um objeto, mas sim uma percepção humana, ou
seja, uma sensação. A retina registra os estímulos provocados pela cor que se explicam cientificamente
através da distribuição de energia e propriedades espectrais da luz visível, que é refratada e/ou
refletida por um corpo de estudo. A sensação de cor, acontece após uma operação combinatória e
analítica na qual o cérebro processa os estímulos recebidos. Assim, a cada cor corresponde a um
espectro característico, podendo ser comparado com um código único. A Figura 1 apresenta o
espectro eletromagnético, que se caracteriza com comprimento de onda maiores que 103 metros (ondas
de rádio) até comprimentos menores que 10-12 (MELCHIADES, 1999).
FIGURA 01 - Espectro de ondas eletromagnéticas.
Considerando a região do espectro eletromagnético é possível notar que a maior parte das
radiações não são visíveis a olho humano.
A palavra espectro, de origem grega, foi utilizada antigamente para nomear raios luminosos
liberados pelo gás metano provenientes de mortos enterrados em covas rasas, visto que corpos em
decomposição liberam diversos gases que apresentam uma propriedade de auto inflamar-se resultando
em um aspecto luminoso intenso. Pela falta de conhecimento da época, acreditava-se que esse gás
luminoso poderia ser um fantasma, que em grego é espectro (HARRIS,1999).
Devido ao comportamento dual da luz, que é uma conclusão científica constata por De Brogli,
é possível notar comportamentos ora de partícula, ora de radiação eletromagnética. No caso da
interpretação e análise do espectrofotômetro, considera-se o comportamento como sendo ondulatório
(EISBERG, 1979).
Os espectrofotômetros UV-Vis foram desenvolvidos, a princípio, para medidas de absorção
em amostras no estado líquido. Porém, com o passar dos anos, dos avanços tecnológicos e
necessidades cientificas, os espectrofotômetros de alta precisão e alta energia vêm sendo lançados em
virtude da crescente necessidade de medidas de reflexão e absorção em amostras sólidas, as quais
incluem semicondutores, filmes, vidros e materiais absorventes (MANSUR, 2005).
Quando a luz atravessa uma substância, parte da energia é absorvida (absorbância): a energia
radiante não pode produzir nenhum efeito sem ser absorvida. A cor das substâncias deve-se à absorção
de certos comprimentos de ondas da luz branca que incide sobre elas, deixando transmitir aos nossos
olhos a combinação dos comprimentos de ondas não absorvidos.
A figura 2 representa um esquema simplificado do funcionamento do espectrofotômetro UVVis: a emissão da luz branca por uma fonte luminosa, o seu direcionamento e separação das
frequências de ondas, a seleção de um feixe, a interação com uma amostra e a coleta dos resultados.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 2 - Esquema ótico dos principais componentes do espectrofotômetro. As letras representam: (a)
fonte de luz, (b) colimador, (c) prisma ou rede de difração, (d) fenda seletora, (e) cubeta contendo
solução, (f) célula fotoelétrica (CHEMWIKI).
Quando um fóton se aproxima, pode ocorrer três eventos: ele passa direto (transmitância), ou
é refletido, ou é absorvido (absorbância). O fenômeno da absorção ocorre nas frequências quantizadas
do átomo ou molécula, ou quando a energia é mais alta que a energia de ionização. Mesmo quando a
frequência do fóton é a correta, existe uma probabilidade de a absorção não ocorrer, pois o fóton pode
ser refletido ou passar direto. Mas isto não é igual para cada frequência passível de ser absorvida. Ao
longo do espectro de frequências, existem probabilidades maiores ou menores de ocorrer absorção.
Essa probabilidade, de um modo geral, diminui conforme aumenta a frequência da radiação
eletromagnética (GOLÇALVES,1983).
A espectrofotometria é fundamentada na lei de Lambert-Beer (equação 1), que é a base
matemática para medidas de absorção de radiação por amostras no estado sólido, líquido ou gasoso,
nas regiões ultravioleta, visível e infravermelho do espectro eletromagnético (ROCHA,2004 e
SKOOG, et al 2013).
Para medidas de absorção de radiação em determinado comprimento de onda, tem-se:
A  log(
Io
)  ε b c (1)
I
em que:
A = absorbância, AU;
Io = intensidade da radiação monocromática que incide na amostra, cd;
I = intensidade da radiação que emerge da amostra, cd;
ε = absortividade molar, L mol-¹m-¹;
c = concentração, kg L-¹;
b = espessura da amostra, m;
CONCLUSÕES E PERPECTIVAS
Contudo, o estudo dos conceitos de funcionamento do espectrofotômetro UV-Vis demonstra
grande potencial de aplicação. As possibilidades de experimentação são expandidas para as mais
diversas áreas. Após este trabalho, será realizada a caracterização de tipos de vidros diferentes,
utilizados em embalagens de alimentos como garrafas de refrigerantes (verde), água (azul e vermelho)
e cerveja (marrom), no caso deste último será comparada suas propriedades com o vidro que
armazenar produtos químicos (marrom), baseando, assim, inicialmente na cor que emitem, analisando
entre os mesmos, os picos de absorção da luz, em qual comprimentos absorvem mais, e discutindo a
eficiência de seu uso no que se refere a interferência da luz na substância protegida por essas
embalagens.
REFERÊNCIAS
AKERMAN, M.; Natureza, estrutura e propriedade do vidro. Centro Técnico de Elaboração
do Vidro (CETEV), 37 p. nov. 2000.
CHEMWIKI, Disponível em: <http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Physical_Chemistry/
EISBERG, R. RESNICK, R. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e
Partículas. Tradução de Ribeiro, P.C.; Silveira, E.C.; Barroso, M.F. Rio de Janeiro: Campus, 1979.
GONÇALVES, M. L., Métodos Instrumentais para Análise de Soluções, Fundação Calouste
Gulbenkian, Lisboa, 1983
HARRIS, D.C.; Análise Química Quantitativa; tradução RIEHL, C.A.; et al. 5.ed. LTC, Rio
de Janeiro:1999.
Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Spectrophotometry>. Acesso em:
21 mai 2016.
MANSUR, H. S.; PEREIRA, M.; ORÉFICE, R., Cap. 7 - Técnicas de Caracterização de
Materiais. In: Rodrigo Oréfice; Herman Mansur; Marivalda Pereira. (Org.). BIOMATERIAIS:
FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO. 1ed.Rio de Janeiro: Editora Cultura Médica, 2005, v. 1, p. 185236.
MELCHIADES, F.G.; BOSCHI, A.O.; Cores e tonalidades em revestimentos cerâmicos.
Cerâmica Industrial, v.4, p. 11-18, 1999.
ROCHA, F.R.P.; TEIXEIRA, L.S.G.; Estratégias para aumento de sensibilidade em
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SHIMADZU; Uv-Vísivel. Disponível em: <http://shimadzu.com.br/analitica/produtos/spectro/
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SKOOG, D.A., WEST, D.M., HOLLER, F.J., CROUCH, S.; Fundamentals of Analytical
Chemistry, Cengage Learning, 2013.
ZONETTI, L.F.C.; Espectroscopia óptica de vidros dopados com Er+3 e Yb+3, Ano de
Obtenção: 1999. Dissertação para o título de mestre em Física aplicada. USP – São Carlos. 1999.